THÔNG TIN TÀI LIỆU
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Áp dụng phần mềm thủy lực mơi trường nước (EFDC) đánh giá ảnh hưởng nước thải sinh hoạt đến chất lượng nước Sơng Hồng vào mùa khơ khu vực Hà Nội Nguyễn Văn Hồng1,* , Trần Văn Hùng2 Viện ðịa chất, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 84 Chùa Láng, Láng Thượng, Hà Nội, Việt Nam Viện Hóa học, Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày tháng năm 2007 Tóm tắt Nước sơng Hồng sử dụng rộng rãi nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản sinh hoạt Mùa khơ lưu lượng dịng chảy sơng Hồng nhỏ nên chất lượng nước bị ảnh hưởng lớn nước thải Phần mềm mơ hình thủy lực chất lượng nước EFDC Cục Mơi trường Mỹ sử dụng xây dựng mơ hình chất lượng nước sơng Hồng Các tiêu chất lượng nước thải sinh hoạt nước sông Hồng vào mùa khô lượng chất phân tích lựa chọn xây dựng mơ hình Chất lượng nước theo tiêu ñược phần mềm mơ đầy đủ theo q trình vận chuyển vật lý động học q trình biến đổi hóa sịnh chất mơi trường nước Kết tính tốn mơ hình cho thấy chất lượng nước sông Hồng khu vực Hà Nội vào mùa khô tác ñộng riêng nước thải sinh hoạt dân cư sống hai bên đổ vào khơng thỏa mãn yêu cầu chất lượng nước dùng làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt nước sơng mà cịn cho nguồn nước ngầm Mùa mưa lưu lượng sông Hồng lớn, nguồn nước thải sinh hoạt khu vực Hà Nội lại ñược pha loãng ñáng kể nước mưa nên chất nhiễm nước thải pha lỗng đáng kể hàm lượng chúng nước sông Hồng nhỏ đồng tồn mặt cắt sơng Nhưng vào mùa khơ, dịng chảy sơng Hồng nhỏ nên nồng độ chất nhiễm nước sinh hoạt nước sông Hồng lớn nhiều so với mùa mưa, phân bố khơng qua mặt cắt sơng Mơ hình chất lượng nước phần mềm EFDC ñánh giá chất lượng nước sông Hồng khu vực Hà Nội ảnh hưởng nước sinh hoạt vào mùa khơ EFDC phần mềm mơ hình thủy lực (lan truyền mặn theo chế tỷ trọng, ñối lưu phân tán), vận chuyển Mở đầu∗ Tuy nước sơng Hồng khu vực Hà Nội khơng khai thác phục vụ sinh hoạt quy mơ tập trung, sử dụng nhiều nơng nghiệp nhiều hộ dân sống hai bên sông tàu thuyền sử dụng cho sinh hoạt Nước sông Hồng khu vực Hà Nội tiếp nhận nguồn ô nhiễm từ thượng lưu mà tiếp nhận nhiều nguồn nước thải sinh hoạt trực tiếp từ khu dân cư hai bên sơng chí từ khu dân cư sống xa sơng nguồn nước thải dẫn thải vào sông Hồng Nước thải nguy hại vào sơng Hồng có tiềm gây nhiễm khơng cho _ ∗ Tác giả liên hệ ðT: 84-4-38343068-416 E-mail: n_v_hoang.vdc@yahoo.com 19 20 N.V Hoàng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 bùn cát chất lượng nước (bằng q trình đối lưu, phân tán động học) cục mơi trường Mỹ cung cấp miễn phí mạng Phần mềm tiền xử lý số liệu để xây dựng mơ hình, chạy EFDC xử lý trình diễn kết đầu vào đầu mơ hình EFDC dạng số liệu, đồ thị, đồ cơng ty Dynamic Solutions, LLC (Mỹ) xây dựng ngơn ngữ Visual Basic đặt tên phần mềm EFDC_Explorer [4] Mơ hình EFDC Phần mềm mơ hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) Cục môi trường Mỹ tài trợ xây dựng liên tục bổ sung hồn thiện phát triển Rất nhiều thơng số chất lượng nước (biến số), đại đa số hợp chất cacbon, nitơ photpho mà phần mềm EFDC mơ hình hóa thể bảng Bảng Các thơng số chất lượng nước thực mơ hình EFDC - Tổng chất rắn lơ lửng - ðộ mặn - Nhiệt ñộ - Cyanobacteria - Tảo cát (Diatomaceous algae) - Diệp tảo (Green algae) - Cacbon hữu khơng hồ tan (Refractory POC) - Cacbon hữu dạng khí (Labile POC) - Cacbon hữu hồ tan (Dissolved POC) - Photpho hữu khơng hồ tan (Refractory POP) - Photpho hữu dạng khí - Photpho hữu hoà tan - Tổng photphat (PO4) - Nitơ hữu khơng hồ tan (Refractory PON) - Nitơ hữu dạng khí (Labile PON) - Nitơ hữu hoà tan (Dissolved PON) - Nitơ ammoniac - Nitơ nitrate - Silic dioxyt sinh vật - Silic dioxyt hoà tan - Nhu cầu ơxi hóa học Phương trình cân khối lượng ñối với biến số chất lượng nước bao gồm q trình vận chuyển vật lý (đối lưu phân tán) ñộng học Khi tách thành phần ñộng học khỏi thành phần vận chuyển vật lý phương trình cân khối lượng biến số chất lượng nước có dạng: ∂C ∂ (uC ) ∂ (vC ) ∂( wC ) + + + ∂t ∂x ∂y ∂z = ∂ ∂C ∂ ∂C ∂ ∂C + Kz Kx + Ky ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z (1) Các q trình động học thể qua phương trình động học dạng: ∂C = K ⋅C + R ∂t (2) K tốc ñộ ñộng học (1/thời gian) (theo hướng x, y z); u, v, w tương ứng - Ô xy hịa tan - Tổng kim loại họat tính - Fecal Coliform - Tảo macro - Tổng cacbon hữu (TOC) - Tổng nitơ - Tổng photpho - Chlorophyll a - Tổng nitơ hữu (TORN) - Tổng nitơ vô - Tổng photpho hữu (TORP) vận tốc dòng chả y theo hướng x, y z; C nồng độ; R thành phần nguồn sinh (1/thể tích/thời gian) Phương trình (2) thu cách tuyến tính hóa số thành phần phương trình động học Phương trình (1) giải sơ đồ ba mức thời gian tiến có độ xác bậc hai (second-order accurate three time-level advection scheme) sau tích phân [5] ðể có độ xác bậc hai thành phần động học phương trình (1) biến đổi cách chia q trình giải ñối với khoảng thời gian 2∆t thành hai bước xen kẽ gi ữa sơ ñồ (explicit) ẩn (implicit) [6] Chi tiết tham khảo ttheo [4-6] N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Lượng chất lượng nước sông Hồng nước thải vào sông Hồng khu vực Hà Nội 3.1 Chất lượng Có nhiều nguồn thải vào sơng Hồng khơng riêng khu vực Hà Nội thượng nguồn hạ lưu Một số tiêu chất lượng nước thải ñổ vào sông Hồng COD NO3 14 21 mẫu nước thải lấy vào tháng 7-8 năm 2006 cho thấ y trung bình COD=328mg/l NO3=22,6mg/l (5,132mg/l Nitơ) [1] Lấy hàm lượng NHX 0,1NOX [8] NHX=2,26mg/l (1,758mg/l Nitơ) Một số thông số chất lượng khác nước thải sinh hoạt tham khảo theo tài liệu cơng b ố [2,8] (Bảng 1) Bảng Một số thông số chất lượng nước thải sinh hoạt [2,8] Thông số DO [2](các thông số khác lấy theo [8]) BOD5 Tổng N hữu (TORN) Tổng P Tổng P hữu (TORP)=0,5 tổng P Orthophosphate (theo P)=0,5 tổng P Tổng C hữu (TOC)=7,58BOD5 Coliform Một số thông số chất lượng nước hợp chất photpho, cacbon nitơ ước tính qua thơng số khác Theo tài liệu tổng hợp [7] ñối với nước thải thơng số chất lượng nước tính theo quan hệ nêu bảng Các thơng số chất lượng nước sông Hồng vào mùa khô khu vực Hà Nội mơ hình hóa cơng trình là: nhi ệt ñộ, coliform, DO, COD, NHX, NOX, Octophotphat, ðơn vị mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l (MNP/ 100ml) Hàm lượng 1,25 210 25 11 5,5 5,5 1591,8 1.000-5.000 ROC, LOC, DOC, ROP, LOP, DOP, RON, LON DON Một số tiêu chất lượng nước sông Hồng mùa khơ (tháng 4/2008) [3] sử dụng giá trị ban ñầu ñồng thời biên thượng lưu thể bảng Một số thông số chất lượng ước lượng theo thơng số khác ñối với nước sông ao hồ tự nhiên [8] theo bảng Bảng Ước tính số thơng số chất lượng nước thải sinh hoạt (mg/l) [7] Thông số Thơng số ước tính Hệ số ðV nước thải 0,10 0,27 0,63 0,13 0,29 0,58 0,50 0,16 0,28 0,56 Thông số MH ROC LOC DOC ROP LOP TORP=0,5TP TP DOP Octophotphat=0,5TP Octophotphat RON TORN LON DON NOX (theo nitơ) NHX (theo nitơ) DO COD Thí dụ: Nếu biết BOD5 thì: TOC=7.58 BOD5; LOC=0.27TOC BOD5 TOC=7,58BOD5 Giá trị thơng số MH 159 430 1003 0,715 1,595 3,19 5,5 4,0 7,0 14,0 5,132 1,758 1,25 [2] 328 22 N.V Hoàng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Bảng Một số tiêu chất lượng nước sông Hồng tháng 4/2008 (mg/l) [3] Thông số Feacal coli Tổng photpho (ΣP) Tổng N NO3 (theo N) NO2 (theo N) Giá trị 220 4,0 20,2 12,5 0,01 Thông số NH4 (theo N) TORN=ΣN-nitơ NOX-nitơ NHX BOD5 COD DO Giá trị 0,15 7,54 15,4 22,0 7,7 Bảng Ước tính số thơng số chất lượng nước sông (mg/l) [3,8] Thông số Thông số ước tính Hệ số nhân Thơng số MH 0,25 ROC LOC DOC ROP LOP DOP Octophotphat RON LON DON NOX (theo N) NHX (theo N) DO COD TOC ΣP=4 (tài liệu tham khảo [3]) ΣN, NOX, NHx [3] TORP=0,3ΣP Octophotphat TORN=ΣNN(NOX)+N(NHx) =7,54 [3] 0,10 0,37 0,53 0,7 0,35 0,35 0,30 3.2 Lưu lượng nước sông Hồng nước thải sinh hoạt chảy sơng Hồng Diện tích ngồi đê phía bắc sơng Hồng thuộc địa bàn Hà Nội khu vực mơ hình khoảng 96km2, phía nam 76km2, tổng diện tích hai khu vực khoảng 172km2 ðây khu vực dọc sơng Hồng có mật ñộ dân số tương ñối cao tạm lấ y mật ñộ dân số thành phố Hà Nội năm 2005 5476người/km2 dân số sống khu vực khoảng 790000 người Với lượng nước sử dụng ước tính 0,08m3 /ngày lưu l ượng nước thải hàng ngày dọc miền mơ hình phía bắc 96 x 5476x0,08x0,75=31518m3/ngày (0,365m3/s) Giá trị thông số MH 7,5 7,5 [8] 15,0 [8] 0,12 0,444 0,636 2,8 2.639 2.639 2.262 12,51 0,15 7,7 22 phía nam 76x5476x0,08x0,75=24971m3/ngày (0,289m3/s) Ứng dụng mơ hình EFDC để tính tốn chất lượng nước sông Hồng mùa khô khu vực Hà Nội Mơ hình xây dựng có chiều dài khoảng 5,4km kéo dài từ phía thượng lưu từ xã Vân Hà-Phúc Thọ xuống hạ lưu xã Ninh SởThường Tín có 4319 l ưới, có cốt cao đáy lịng sơng thấp -10,81m lịng sơng phía hạ lưu miền mơ hình (hình 1) Bước thời gian mơ hình lấ y giây, thời gian mơ hình 14 ngày, tức 259200 bước N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 23 Hình Cốt cao đáy lịng sơng khu vực mơ hình Các thơng số liên quan đến q trình hóa lý thơng số chất lượng nước lấy theo giá trị mặc ñịnh theo phần mềm EFDC (ñược xác ñịnh dựa vào nghiên cứu lý thuyết nhiều kết nghiên cứu thực tế M ỹ) Hình 3, minh họa thơng số hóa lý liên quan đến cacbon, nitơ photpho Kết mơ hình chất lượng nước theo tiêu khác trình bày theo diện dạng đồ, thí dụ phân bố COD vào bước thời gian 14 ngày phần góc trái bên hình 1, dọc theo đường cong qua miền mơ hình vào bước thời gian khác nhau, vị trí cụ thể, thí dụ COD, DO, NO3, NH4 photpho cho hình 5-9 24 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Hình Các thơng số hóa lý liên quan đến cacbon Hình Các thơng số hóa lý liên quan đến nitơ N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 25 (2009) 19-29 Hình Các thơng số hóa lý liên quan ñến photpho Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - COD 21 Chemical Oxygen Demand (mg/l) 19 18 17 16 Legend 15 thuong luu cau Chuong Duong luu 14 13 12 11 10 10 11 Time (days) Hình Phân bố COD theo thời gian số vị trí 12 13 14 25 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - DO 5.5 5.0 Dissolved Oxygen (mg/l) 4.5 4.0 3.5 Legend 3.0 thuong luu cau Thang Long 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân bố DO theo thời gian số vị trí 13.0 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - NO3 (N) 12.8 12.6 Nitrate Nitrogen (mg/l) 26 12.4 12.2 12.0 11.8 11.6 Legend 11.4 thuong luu cau Chuong Duong luu 11.2 11.0 10 11 Time (days) Hình Phân bố NO3 (N) theo thời gian số vị trí 12 13 14 N.V Hồng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 0.25 27 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - NH4 (N) 0.24 Ammonia Nitrogen (mg/l) 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 Legend 0.18 thuong luu cau Chuong Duong luu 0.17 0.16 0.15 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân bố NH4 (N) theo thời gian số vị trí 4.00 Mo hinh chat luong nuoc song Hong mua kho - tong photpho 3.95 3.90 Total P (mg/l) 3.85 3.80 3.75 3.70 Legend 3.65 thuong luu cau Chuong Duong luu 3.60 3.55 3.50 10 11 12 13 14 Time (days) Hình Phân bố tổng photpho theo thời gian số vị trí Theo kết mơ hình, số thông số chất lượng nước hạ lưu miền mơ hình so sánh với tiêu chuẩn Việt nam TCVN 5942 1995 tiêu chuẩn liên minh Châu Âu [9] photpho thể bảng Như vào mùa khô nước sông Hồng khu vực Hà Nội đạt nước loại B theo tiêu chuẩn này, khơng ñạt tiêu chuẩn dùng cho sinh hoạt 28 N.V Hoàng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 Bảng So sánh kết mơ hình với TCVN 5942 - 1995 EU Thông số ðơn vị COD mg/l Oxy hồ tan mg/l Amoniac (tính theo N) mg/l Nitrat (tính theo N) mg/l TOC mg/l Tổng N mg/l Tiêu chuẩn liên minh Châu Âu Tổng photpho mg/l Hạ lưu MH 11,41 4,725 0,236 11,708 25,395 17,652 3,724 Nhận xét, kết luận kiến nghị Chỉ riêng nước thải sinh hoạt người dân sống dọc hai bên sông Hồng khu vực Hà Nội góp phần làm cho nước sơng Hồng mùa khô không thỏa mãn chất lượng nước dùng làm nguồn cấp cho sinh hoạt Trên thực tế nhiều nguồn nước thải công nghiệp, sinh hoạt nông nghiệp địa bàn tỉnh Phú Thọ Việt Trì đổ vào sơng Hồng Do thực tế chất lượng nước sơng Hồng mùa khơ rất nhiều chất lượng nước mà mơ hình cho kết Vì cần thiết phải nghiên cứu ñầ y ñủ nguồn nước thải vào sông Hồng lượng chất ñể ñánh giá tốt chất l ượng nước sơng Hồng vào mùa khơ, từ ñưa biện pháp bảo vệ chất lượng nước Trong tương lai cần có nghiên cứu xác định thơng số liên quan đến q trình lý-sinh ñối với thông số chất lượng nước mô hình để xây dựng mơ hình chất lượng nước sơng Hồng phù hợp với thực tế Ngồi ra, việc quan trắc chất lượng nước sông Hồng theo không gian thời gian cho phép hiệu chỉnh mơ hình nhằm làm xác hóa thơng số mơ hình, từ có mơ hình phù hợp với thực tế Ghi nhận: Bài báo ñược thực khn khổ đề tài nghiên cứu năm 20062008 mang mã số 710506 Giá trị giới hạn A 6 0,05 10 B 2 15 Mức hướng dẫn 0,031 Cực ñại cho phép 3,875 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Hoàng Trần Văn Hùng, Vấn đề rác thải, nước thải sơng Hồng khả ảnh hưởng ñến nước ñất khu vực Hà Nội, Tạp chí Khoa học ðHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 23 (2007) 107 [2] Trần ðức Hạ, Hướng dẫn đánh giá tác động mơi trường dự án ñầu tư sở hạ tầng, Bộ Xây dựng, Hà Nội, 2002 [3] Phần mềm EFDC, hướng dẫn sử dụng sở lý thuyết phương pháp giải số, http://www.dsintl.biz [4] John M Hamrick, A Three-Dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code (EFDC): theoretical and computational aspects Special Report in Applied Marine Science and Ocean Engineering Virginia Institute of Marine Science School of Marine Science The College of William and Mary Gloucester Point, VA 23062 May 1992 [5] Kyeong Park, Albert Y Kuo, Jian Shen and John M Hamrick, A Three-Dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Model (HEM3D): Description of Water Quality and Sediment Process Submodels (EFDC Water Quality Model) Special Report in Applied Marine Science and Ocean Engineering No 327 School of Marine Science Virginia Institute of Marine Science College of William and Mary Gloucester Point, VA 23062 January 1995 (Revised by Tetra Tech, Inc., June 2000) [6] R Syed Qasim, Wastewater Treatment Plants: Planning, Design and Operation Holt, Rinehart and Winston, USA, 1999 [7] William J Mitsch, James G Gosselink, 1986 Wetlands Van Nostrand Reinhold 1986 [8] Frederick W Pontius (technical editor), Water quality and treatment-A handbook of community water supplies McGraw-Hill, Inc., 1990 N.V Hoàng, T.V Hùng / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 19-29 29 Application of EFDC modeling software in modeling Red river water quality in dry season in Hanoi area Nguyen Van Hoang1, Tran Van Hung2 Institute of Geology, Vietnamese Academy of Science and Technology, 84 Chua Lang, Lang Thuong, Hanoi, Vietnam Institute of Chemistry, Vietnamese Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Hanoi, Vietnam The Red river water is widely used for agriculture, fishery and domestic purposes Its flow in dry season is relatively small so the water quality is significantly affected by the wastewater which is discharged into the river An US EPA hydrodynamic and water quality modeling code EFDC has been applied in modeling the river water quality Water quality and quantity of the wastewater and river water were analyzed and selected for the modeling The water quality parameters were modeled by the code by all physical and dispersion processes and physico-biological processes inside the water environment The modeling results show that the river water during the dry season upon the only domestic wastewater from the population along the river does not meet Vietnamese water quality for domestic water source ... Lượng chất lượng nước sông Hồng nước thải vào sông Hồng khu vực Hà Nội 3.1 Chất lượng Có nhiều nguồn thải vào sông Hồng không riêng khu vực Hà Nội thượng nguồn hạ lưu Một số tiêu chất lượng nước. .. Chỉ riêng nước thải sinh hoạt người dân sống dọc hai bên sơng Hồng khu vực Hà Nội góp phần làm cho nước sông Hồng mùa khô không thỏa mãn chất lượng nước dùng làm nguồn cấp cho sinh hoạt Trên... thiết phải nghiên cứu ñầ y ñủ nguồn nước thải vào sơng Hồng lượng chất để ñánh giá tốt chất l ượng nước sông Hồng vào mùa khơ, từ đưa biện pháp bảo vệ chất lượng nước Trong tương lai cần có nghiên
Ngày đăng: 18/03/2021, 10:32
Xem thêm: